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2016 Fiscal Year Research-status Report

超並列ストカスティック演算に基づく大規模な人間的視覚処理ハードウェア実現への挑戦

Research Project

Project/Area Number 16K12494
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

鬼沢 直哉  東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (90551557)

Project Period (FY) 2016-04-01 – 2019-03-31
Keywordsソフトコンピューティング
Outline of Annual Research Achievements

大規模な人間的視覚処理ハードウェアを実現するために,本年度は脳のV1領域での特徴抽出処理(2次元ガボールフィルタ)をストカスティック演算で実現する計算アルゴリズムの考案を行った.
本研究者によってすでに提案されている,1次元ガボールフィルタのアルゴリズムを拡張させることで,2次元ガボールフィルタのアルゴリズムを実現した.実現するにあたり,従来アルゴリズムでは周波数等いくつかのパラメータが固定となっていたが,人間のような幅広い空間周波数成分を抽出するために,パラメータの可変化を行った.つまり提案のアルゴリズムでは,ハードウェア実装後に動的にガボールフィルタの特性を変化させることが出来る.
従来手法の一つとしてCORDICを用いた可変ガボールフィルタが提案されているが,計算量が多くハードウェア規模が大きくなってしまい,結果としてスループットが低下してしまう問題があった.これに対して,提案ストカスティック可変ガボールフィルタは,ストカスティック演算を活用することで,小規模なハードウェアで実現可能となった.その研究成果は国際学会ESSCIRC2017に投稿中である.
また,提案フィルタと入力信号との間で行われる畳み込み演算(乗算+加算)のハードウェア化にも取り組んだ.ストカスティック演算では,加算器にMUXを用いることで小規模な回路実現が可能となるが,入力数の増加に伴って演算精度が大幅に低下する問題があった.この問題を解決するために,加算を指数関数軸で行うことで,加算を乗算に置き換えるハードウェアアルゴリズムを考案した.ストカスティック演算における乗算は,加算のような演算精度低下の問題が小さいことから,入力数が増加した場合においても精度よく演算可能である.この成果は,学術論文誌Journal of Signal Processing Systemsに掲載決定となった.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

本年度は,当初の計画通りに脳のV1領域での特徴抽出処理(2次元ガボールフィルタ)の,ストカスティック演算による計算アルゴリズムを考案し,MATLABによるシミュレーション検証を行っている.
また,フィルタ係数と入力信号との畳み込み演算部分のハードウェア化にも取り組み,入力数が増加しても演算精度が低下しないハードウェアアルゴリズムを考案している.
さらに,次年度に予定していたVerilog-HDLを用いたハードウェア実装にも取り組み,その性能評価を行っている.
上記のような理由で,当初の計画以上に進展していると考えられる.

Strategy for Future Research Activity

H29年度は,前年度に考案したアルゴリズムをベースに,FPGAボードを用いた超並列ガボールフィルタ処理の実装に取り組む予定である.
FPGAボードとしては,大規模なハードウェアを実装可能なXilinx社VC707評価ボードを用いる予定である.FPGA上で正しくガボールフィルタが生成されているかどうかの検証として,MATLABによるソフトウェアシミュレーションでの結果との比較を行う.
また,提案ハードウェアの性能評価・比較を行うために,従来方式によるガボールフィルタも同一FPGAに実装・評価を行う予定である.

Causes of Carryover

今年度は,ストカスティック演算に基づく脳のV1領域での特徴抽出(2次元ガボールフィルタ)のアルゴリズムを考案し,その研究成果を国内研究会等で発表予定であった.しかしながら研究計画以上に進展した結果,アルゴリズムのみならずハードウェア実装までH28年度内に行えることがわかったため,アルゴリズムのみの成果発表ではなく,ハードウェアも含めた研究成果として発表を行うこととしたため,未使用額が生じた.

Expenditure Plan for Carryover Budget

このため,ハードウェアも含めた研究成果は本年度内の国内研究会ではなく,次年度での国際学会(ESSCIRC'17に投稿中)で行うこととし,未使用額はその経費に充てることとしたい.

  • Research Products

    (15 results)

All 2018 2017 2016 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (7 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 7 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Invited: 2 results)

  • [Int'l Joint Research] McGill University(カナダ)

    • Country Name
      CANADA
    • Counterpart Institution
      McGill University
  • [Journal Article] A Generalized Stochastic Implementation of the Disparity Energy Model for Depth Perception2018

    • Author(s)
      Boga Kaushik、Leduc-Primeau Fran?ois、Onizawa Naoya、Matsumiya Kazumichi、Hanyu Takahiro、Gross Warren J.
    • Journal Title

      Journal of Signal Processing Systems

      Volume: 90 Pages: 709~725

    • DOI

      10.1007/s11265-016-1197-3

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Area/Energy-Efficient Gammatone Filters Based on Stochastic Computation2017

    • Author(s)
      N. Onizawa, S. Koshita, S. Sakamoto, M. Abe, M. Kawamata, and T. Hanyu
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems

      Volume: 25, 10 Pages: 2724-2735

    • DOI

      10.1109/TVLSI.2017.2687404

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] VLSI Implementation of Deep Neural Networks Using Integral Stochastic Computing2017

    • Author(s)
      A. Ardakani, F. Leduc-Primeau, N. Onizawa, T. Hanyu, and W. J. Gross
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems

      Volume: 25, 10 Pages: 2688-2699

    • DOI

      10.1109/TVLSI.2017.2654298

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Sudden Power-Outage Resilient In-Processor Checkpointing for Energy-Harvesting Nonvolatile Processors2017

    • Author(s)
      N. Onizawa, A. Mochizuki, A. Tamakoshi, and T. Hanyu
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Emerging Topics in Computing (TETC)

      Volume: 印刷中 Pages: 印刷中

    • DOI

      10.1109/TETC.2016.2604083

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Soft/Write-Error Resilient CMOS/MTJ Nonvolatile Flip-Flop Based on Majority-Decision Shared Writing2017

    • Author(s)
      N. Onizawa, and T. Hanyu
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 56 Pages: 04CF12~1-6

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Analog-to-Stochastic Converter Using Magnetic Tunnel Junction Devices for Vision Chips2016

    • Author(s)
      N. Onizawa, D. Katagiri, W. J. Gross, and T. Hanyu
    • Journal Title

      IEEE Trans. on Nanotechnology

      Volume: 15 Pages: 705-714

    • DOI

      10.1109/TNANO.2015.2511151

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Standby-Power-Free Integrated Circuits Using MTJ-Based VLSI Computing2016

    • Author(s)
      T. Hanyu, T. Endoh, D. Suzuki, H. Koike, Y. Ma, N. Onizawa, M. Natsui, S. Ikeda, and H. Ohno
    • Journal Title

      Proc. of the IEEE

      Volume: 104 Pages: 1843-1863

    • DOI

      10.1109/JPROC.2016.2574939

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Three-Terminal MTJ-Based Nonvolatile Logic Circuits with Self-Terminated Writing Mechanism for Ultra-Low-Power VLSI Processor2017

    • Author(s)
      T. Hanyu, D. Suzuki, N. Onizawa, and M. Natsui
    • Organizer
      Design, Automation & Test in Europe (DATE)
    • Place of Presentation
      ローザンヌ(スイス)
    • Year and Date
      2017-03-27 – 2017-03-31
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] A Soft/Write-Error Resilient CMOS/MTJ Nonvolatile Flip-Flop Based on Majority-Decision Shared Writing2016

    • Author(s)
      N. Onizawa, and T. Hanyu
    • Organizer
      2016 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM)
    • Place of Presentation
      つくば国際会議場(つくば市)
    • Year and Date
      2016-09-26 – 2016-09-29
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] VLSI Implementation of Deep Neural Networks Using Integral Stochastic Computing2016

    • Author(s)
      A. Ardakani, F. Leduc-Primeau, N. Onizawa, T. Hanyu, and W. J. Gross
    • Organizer
      6th International Symposium on Turbo Codes & Iterative Information Processing
    • Place of Presentation
      ブレスト(フランス)
    • Year and Date
      2016-09-06 – 2016-09-10
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Redundant STT-MTJ-Based Nonvolatile Flip-Flops for Low Write-Error-Rate Operations,2016

    • Author(s)
      N. Onizawa, and T. Hanyu
    • Organizer
      14th IEEE International New Circuits and Systems Conference (NEWCAS)
    • Place of Presentation
      バンクーバー(カナダ)
    • Year and Date
      2016-06-26 – 2016-06-29
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Stochastic Implementation of Gammatone Filters for Auditory Processing2016

    • Author(s)
      N. Onizawa
    • Organizer
      Workshop on Stochastic Computing and Related Topics
    • Place of Presentation
      ウォータールー(カナダ)
    • Year and Date
      2016-06-20 – 2016-06-20
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Realization of FIR Digital Filters Based on Stochastic/Binary Hybrid Computation2016

    • Author(s)
      S. Koshita, N. Onizawa, M. Abe, T. Hanyu, and M. Kawamata
    • Organizer
      46th IEEE International Symposium on Multiple-Valued Logic (ISMVL)
    • Place of Presentation
      北海道大学(札幌市)
    • Year and Date
      2016-05-18 – 2016-05-20
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Power-Gated Single-Track Asynchronous Circuits Using Three-Terminal MTJ-Based Nonvolatile Devices for Energy Harvesting Systems2016

    • Author(s)
      T. Yoneda, N. Onizawa,M. Imai, and T. Hanyu
    • Organizer
      22nd IEEE International Symposium on Asynchronous Circuits and Systems (ASYNC) Fresh Idea Track
    • Place of Presentation
      ポルト・アレグレ(ブラジル)
    • Year and Date
      2016-05-08 – 2016-05-11
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2018-01-16  

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